Sistemas de vedação em hidrelétricas: os quatro pontos em que a água tenta passar

Os sistemas de vedação de uma hidrelétrica existem para que a água só passe por onde gera energia. A 118 metros de profundidade, que é a queda de Itaipu, a água empurra com mais de 11 vezes a pressão do ar, e procura qualquer fresta: a rocha sob a fundação, as juntas entre blocos de concreto, as bordas das comportas e a folga em volta do eixo da turbina. Cada um desses caminhos pede uma solução diferente.

Este artigo percorre os quatro pontos, com a conta da pressão, os números de Itaipu e de Tucuruí e o que acontece quando a vedação falha. As fontes são um curso da Agência Nacional de Águas, manuais do Corpo de Engenheiros e do Bureau of Reclamation dos Estados Unidos, uma dissertação da USP e a revista Hydro Review.

A pressão que a vedação enfrenta

A pressão da água cresce com a profundidade:

pressão = densidade da água × gravidade × profundidade

Para os 118 m de queda de Itaipu: 1.000 kg/m³ × 9,81 m/s² × 118 m = 1.157.580 pascals, ou cerca de 1,16 megapascal. São 11,6 bar acima da pressão atmosférica, o equivalente a quase 12 kg apoiados em cada centímetro quadrado. A fórmula é a da hidrostática básica, explicada em como funciona a engenharia.

Primeiro ponto: a fundação

Nenhuma rocha é totalmente estanque. A água do reservatório infiltra pelas fraturas sob a barragem e, ao fazer isso, empurra a estrutura de baixo para cima. Esse empuxo se chama subpressão, e reduz o peso com que a barragem se apoia no terreno. O combate tem duas frentes: dificultar a entrada da água, com injeções de calda de cimento nas fraturas, e dar saída à que entrou, com drenos.

O dreno é uma vedação ao contrário, um vazamento planejado. Itaipu tem cerca de cinco mil deles, descritos numa notícia sobre a usina como pontos de infiltração planejada que aliviam a pressão da água na fundação e nas estruturas. Uma dissertação da USP registra mais de dois mil instrumentos na barragem, dos quais mais de 650 são piezômetros, aparelhos que medem a pressão da água dentro do maciço. A leitura deles indica a subpressão que atua em cada ponto.

Medir a vazão dos drenos é a forma mais antiga de vigiar uma barragem: se um dreno passa a verter mais, ou a água sai turva, algo mudou lá dentro. A conta de vazão está em como calcular vazão.

Barragens de terra: o risco da erosão interna

Em barragens de terra e de enrocamento, a água não precisa de uma fresta. Ela atravessa o próprio maciço, devagar, e o perigo é que carregue grãos de solo no caminho. Com o tempo, abre-se um canal. O Bureau of Reclamation cita um levantamento clássico segundo o qual cerca de metade das rupturas em operação de grandes barragens de aterro, veio de erosão interna.

A defesa é o filtro: uma camada de areia e brita, com grãos de tamanho escolhido, que deixa a água passar e segura o solo. Outra solução é pôr a vedação na face. Nas barragens de enrocamento com face de concreto, uma laje cobre o lado do reservatório, e o maciço de pedra fica praticamente sem água. O Brasil tem três entre as de mais de 150 m: Campos Novos, com 202 m, Barra Grande, com 185 m, e Foz do Areia, com 160 m, segundo uma dissertação da PUC-Rio.

O caso mais citado de falha é o da barragem de Teton, nos Estados Unidos, que rompeu em 5 de junho de 1976, no primeiro enchimento. Era uma barragem de terra de cerca de 93 m. A investigação apontou erosão interna no aterro da trincheira de vedação, junto à rocha muito fraturada da ombreira, que não foi selada como devia. Morreram 11 pessoas, segundo a associação americana de segurança de barragens. As barragens de rejeitos, que falham por outro mecanismo, estão em barragens de contenção.

Segundo ponto: as juntas do concreto

Uma barragem de concreto é construída em blocos, com juntas entre eles para o concreto dilatar e contrair sem trincar. Cada junta seria um caminho para a água se não houvesse o veda-junta: uma tira de material flexível embutida nos dois blocos, atravessando a junta, posta nas formas antes da concretagem.

O manual do Corpo de Engenheiros dos Estados Unidos lista os materiais: metais como aço, cobre e bronze, e não metálicos como borracha e PVC, o mais usado deste grupo. Os perfis de borracha e PVC têm de 100 a 300 mm de largura e de 3,2 a 12,5 mm de espessura; um dos tipos tem um bulbo no meio, que se deforma quando a junta abre e fecha. É uma peça barata que não pode ser trocada, porque fica dentro do concreto. Vedar concreto em escala menor é o tema de impermeabilização de fundações e lajes.

Terceiro ponto: as comportas

A comporta é a única parte da barragem que precisa vedar e também abrir. O curso de segurança de barragens da ANA descreve os tipos principais. A comporta segmento, curva, gira em torno de dois mancais nos pilares e é usada em vertedouros, descargas de fundo e eclusas. A comporta vagão, plana, desce sobre rodas e é usada, entre outros lugares, em tomadas d’água.

O curso informa 43,4 meganewtons de força da água sobre cada comporta de Itaipu, com 20,84 m de coluna d’água. Dá para conferir. A força sobre uma parede vertical é metade da densidade vezes a gravidade vezes a altura ao quadrado vezes a largura: 0,5 × 1.000 × 9,81 × 20,84² × 20 = 42,6 milhões de newtons. O valor fica 2% abaixo do da fonte, e equivale ao peso de cerca de 4.300 toneladas empurrando uma única comporta.

A vedação fica nas bordas: perfis de borracha presos à comporta, que a própria pressão da água aperta contra as guias de aço embutidas no concreto. Não encontramos em fonte aberta os dados desses perfis, e por isso não detalhamos material nem dimensões.

Quarto ponto: o eixo da turbina

A turbina fica dentro da água e o gerador, no seco. O eixo que liga os dois atravessa a tampa da turbina, e a folga em volta dele precisa ser vedada com o eixo girando. Em Itaipu, segundo a imprensa especializada, a turbina tem rotor de 8,6 m de diâmetro e gira a cerca de 91 ou 92 rotações por minuto, conforme a unidade.

A regra dessa vedação parece contraditória. Um artigo da Hydro Review resume: todo selo precisa vazar para sobreviver. Um pouco de água passa de propósito, para resfriar e lubrificar as faces que se atritam. Entre os tipos usados estão o selo de segmentos de carvão e o selo mecânico de face.

O problema é o excesso. O artigo cita um caso de 400 litros por minuto por unidade, considerado excessivo. A conta do ano, que o próprio artigo faz: 400 × 60 × 24 × 365 = 210.240.000 litros, ou 210.240 metros cúbicos. Além da água perdida, o vazamento causa corrosão e, no caso citado, tirou cerca de 1% da eficiência da unidade. A relação entre vazão e energia está em eficiência de uma turbina hidráulica.

O que os quatro pontos têm em comum

Em nenhum deles o objetivo é vazamento zero. A fundação tem drenos, o filtro deixa a água passar, o selo do eixo vaza de propósito. A engenharia de vedação numa hidrelétrica é a de escolher por onde a água vai sair, medir quanto sai e desconfiar de qualquer mudança. O funcionamento geral da usina está em barragem hidrelétrica.

Perguntas frequentes

O que são sistemas de vedação em hidrelétricas?

São os recursos que impedem a água de passar pela fundação, pelas juntas do concreto, pelas bordas das comportas e pela folga do eixo da turbina.

O que é subpressão?

É o empuxo da água infiltrada sob a barragem, que a empurra para cima. É controlada com injeções na rocha e com drenos.

Por que uma barragem tem drenos se o objetivo é vedar?

Porque a água que infiltra precisa de uma saída controlada. Sem ela, a pressão se acumula sob a estrutura.

O que é um veda-junta?

É uma tira de PVC, borracha ou metal embutida no concreto, atravessando a junta entre dois blocos, para impedir a passagem de água.

O selo do eixo da turbina pode vazar?

Deve vazar um pouco. A água que passa resfria e lubrifica as faces do selo. O problema é o vazamento excessivo.

Os sistemas de vedação de uma hidrelétrica raramente aparecem nas fotos, e são eles que decidem quanto tempo a obra dura. A pressão que enfrentam se calcula com uma multiplicação; o trabalho está em não deixar que ela encontre um caminho que ninguém previu.